河北省高產夏玉米的群體結構與產量形成特征

王　磊,萬敬敬,杜　雄,崔彥宏,黨紅凱,李科江

(1.河北農業大學 農學院,河北省作物生長重點調控實驗室,河北 保定　071001;2.河北省農林科學院 旱作農業研究所,河北 衡水　053000)

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河北省高產夏玉米的群體結構與產量形成特征

王磊1,萬敬敬1,杜雄1,崔彥宏1,黨紅凱2,李科江2

(1.河北農業大學 農學院,河北省作物生長重點調控實驗室,河北 保定071001;2.河北省農林科學院 旱作農業研究所,河北 衡水053000)

為探尋夏玉米高產栽培可借鑒的高效生產管理方法和顯著提高其產量,采用對比研究方法,明確了河北省夏玉米生產中高產模式和農戶生產模式間群體結構、產量形成的差異。結果表明,高產模式比農戶生產模式產量提高了21.4%,原因在于高產模式下82 000穗/hm2以上的有效穗數和近350 g的千粒質量,但高產模式的單穗粒數不占優勢。高產模式下夏玉米具有較高的穗高系數,倒伏風險也隨之加大。高產模式吐絲期葉面積指數在6.3以上、全生育期總光合勢在300萬(m2·d)/hm2以上,且花后光合勢占總光合勢的75%以上,吐絲后光合勢較農戶栽培模式提高了38.4%。高產模式下莖葉干物質向籽粒轉移量顯著高于農戶生產模式,而農戶生產模式因籽粒的灌漿活躍期較短而出現干物質在莖葉中的積累現象。收獲時高產模式下群體干物質達到24 296 kg/hm2,收獲指數為54.43%。每生產100 kg籽粒對氮磷鉀的需求量高產模式下分別為1.93,1.19,1.85 kg,與農戶生產模式相比,高產模式對鉀素和磷素的相對需求比例增高,氮素需求量則有所降低。

高產夏玉米;群體結構;產量形成;河北省

從20世紀90年代開始,世界糧食的持續短缺成為未來幾十年需要解決的重大問題[1-2]。面對我國人口不斷增加,耕作面積日趨減少的基本國情[3],作為我國種植面積和產量最大的作物,玉米的持續增產是保障我國糧食安全的關鍵[4],依賴單產的進一步提高業已成為解決我國“少耕地,多人口”問題的重要出路。葉面積和干物質積累是決定作物產量的重要指標[5-7]。多年來,眾多學者圍繞玉米冠層結構、光合特性和干物質積累開展了大量研究[8-11],認為葉面積指數大且功能期長,群體內光分布合理,葉片光合速率高,并且擁有較多生物量是夏玉米獲得高產的基礎[12]。但前人對夏玉米高產機制的研究多以同一品種設置不同的管理栽培模式或不同品種在相同的管理栽培模式下進行對比,針對在不同的管理栽培模式下的夏玉米群體產量形成特征鮮有研究。從2004年起,國家開始實施以糧食豐產科技工程為代表的主要糧食作物高產研究、樣板創建和技術推廣,自此在國家支持下,河北省的夏玉米超高產產量不斷被刷新,實現超高產的區域也從原來的山前平原區擴展到低平原區,而且年度間也具有了較為穩定的重現性。雖然河北省夏玉米的平均單產或普通農戶的產量也在不斷提高,但其產量較科研項目的攻關高產還有不小差距。如何更好地大面積、區域化的提高我省夏玉米產量水平,縮小農戶生產田和高產攻關田之間的產量差距,研究明確12 000 kg/hm2以上超高產夏玉米的產量結構特點和群、個體發育特征,以及實現超高產所需的生產條件具有重要意義。因此,本試驗以試驗區當地農戶種植模式為對照,以高產栽培模式為基礎,探索不同玉米群體和產量之間的差異性,以期為夏玉米的高產栽培提供理論依據和可供借鑒的思路。

1　材料和方法

1.1試驗設計

本試驗在河北省農林科學院深州旱作節水農業試驗站進行。試驗地為黏壤質潮土,土壤0～20 cm耕層含有機質14.95 g/kg、堿解氮96.3 mg/kg、速效磷20.9 mg/kg、速效鉀123.1 mg/kg,土壤容重1.41 g/cm3。試驗設置高產栽培模式(High-yield planting mode,簡稱HYPM)和普通農戶種植模式(Farmers′ practice mode,簡稱FPM)2個處理,高產栽培模式以鄭單958為試材,嚴格按照“夏玉米12 000～12 750 kg/hm2栽培技術規程(DB13/T2054-2014)”種植和管理,種植密度為85 500株/hm2,行距60 cm,種植面積1 000 m2,從中選擇3個面積150 m2的區域作為試驗小區和重復。普通栽培模式調查試驗站所在地(衡水市深州護駕遲鎮護駕遲村)的農戶生產田,該村整建制種植的品種為先玉335,種植密度為55 500株/hm2,行距60 cm,該村對河北省平原區的夏玉米生產具有較好的代表性。高產田施肥量按 N 360 kg/hm2、P2O5150 kg/hm2、K2O 225 kg/hm2,磷鉀肥和30%氮肥作為底肥,50%氮肥在大口期追施,20%氮肥吐絲期追施。普通農戶生產田在播種時一次性施入750 kg/hm2的復合肥(N-P2O5-K2O= 16-16-16)。2種種植模式均在6月13日播種,并灌溉蒙頭水75 mm,10月1日收獲,高產田于7月28日和8月25日補充灌溉,灌溉量為75 mm；農戶生產田于8月15日補充灌溉,灌溉量為90 mm。

1.2測定項目與方法

1.2.1葉面積分別在苗期(V3)、拔節期(V7)、大口期(V12)、吐絲期(S)、吐絲后15 d(AS15)、吐絲后30 d(AS30)、吐絲后45 d(AS45)和收獲期(H)采用長寬系數法測定葉面積。

1.2.2干物質在測量葉面積的同時收取植株地上部干物質,將樣品在烘箱中105 ℃殺青30 min,然后在80 ℃條件下烘干至恒重時稱重。在吐絲期和收獲期將植株器官拆分為葉片、莖鞘(包括莖稈、葉鞘和雄穗)、苞葉&穗軸和籽粒(不包括吐絲期)等四部分。干物質轉移量=吐絲期營養器官干物重-收獲時營養器官干物重。

1.2.3穗位葉光合參數的測定吐絲后每隔15 d選擇晴天的上午10:00-11:00用CI-340PS便攜式光合測定儀對標記植株測定穗位葉的光合速率。

1.2.4產量及植株性狀的調查收獲每小區中間未受到任何取樣破壞的6行15 m長區域的果穗,同時測量株高和穗位高,并計數玉米株數和穗數,折合單位面積有效穗數。每個處理從收獲果穗中隨機選取20果穗進行考種。待全部果穗曬干后進行脫粒,測定含水量并按14%商品含水量折合單位面積產量,同時測定千粒質量。

1.2.5籽粒灌漿的測定吐絲期每小區選擇生長大小一致果穗掛牌標記植株,在標記植株中每7 d選取5個果穗,脫粒并混合均勻后取100籽粒烘干至恒重后測定百粒質量。以開花后天數(t)為自變量,測得的百粒質量為因變量(y),用Logistic方程y=K/(1+ae-bt)擬合不同處理的籽粒灌漿特征。1.2.6氮、磷、鉀的測定玉米樣品消煮定容后,氮、磷使用德國產連續流動分析儀進行測定,鉀采用火焰光度法測定。養分在某器官中的積累量(kg/hm2)=某器官養分含量×干物重×種植密度;營養器官的養分轉移量(kg/hm2)=吐絲期營養器官養分積累量-收獲期營養器官養分積累量;

營養器官中養分對籽粒的貢獻率=營養器官中養分轉移量/收獲期籽粒養分積累量×100%。

1.3數據處理及分析

用Microsoft Excel 2003進行數據計算和作圖;用SAS 8.0統計軟件進行方差分析。

2　結果與分析

2.1產量及植株性狀2.1.1產量及其構成因素從表1可以看出,高產種植模式的產量顯著高出農戶種植模式21.4%。從產量構成來看,高產種植模式的有效穗數和千粒質量均顯著高于農戶種植模式,分別提高了48.3%和12.2 g,但穗粒數顯著降低,較農戶種植模式減少了21.7%。說明有效穗數和千粒質量的提高是高產種植模式獲得目標產量的主要原因。高產種植模式的最大灌漿速率較農戶種植模式降低,但是線性增長期和灌漿活躍期延長(表2),最終結果是千粒質量顯著提高。

表1　兩種種植模式下的產量及其構成因素

注:不同字母表示2種種植模式在0.05水平上差異顯著。表3-8,圖1-3同。

Note:Different letters within a column are significantly different at 0.05 level.The same as Tab.3-8,Fig.1-3.

表2　兩種種植模式下的籽粒灌漿特征

2.1.2植株性狀由表3可以看出,農戶種植模式較高產模式的穗粗差異并不顯著,穗長、行數和行粒數均顯著提高,這也是農戶模式穗粒數顯著提高的原因。農戶模式的穗高系數顯著低于高產模式,較低的穗高系數說明穗上節間相對拉長程度較高,更有利于建立高光效的光合生產系統,促進穗位葉光合產物的形成,使得單穗產量得到提高,也進而說明高產模式下增加穗數是產量顯著提高的主要原因,但也因較高的穗高系數,倒伏的風險隨之加大。

表3　兩種種植模式下的夏玉米植株性狀和穗部性狀

2.2葉面積指數變化及光合勢

由圖1可知,2個種植模式的葉面積指數(LAI)隨著生育進程的推進不斷增大,均在吐絲期達到最大值,高產模式和農戶模式的LAI分別為6.3和4.3。吐絲后,高產模式的LAI一直處于高值狀態,吐絲到吐絲后45 d的LAI一直高于5;農戶種植模式的LAI吐絲后則一直處于較低狀態(4.3>LAI>3.4)。從群體光合勢來看(圖2),吐絲后2種模式的光合勢均占總光合勢的75%左右,高產模式下總光合勢為414×104(m2·d)/hm2,較農戶種植模式提高了38.4%。

2.3干物質動態

2.3.1地上部干物質的變化由圖3可以看出,干物質積累隨著生育進程的推進而不斷增加,收獲期達到最大值。在吐絲期2個種植模式的單株干物質積累量差異不大,吐絲后農戶種植模式的單株干物重快速增加,顯著高于高產模式,至收獲期農戶種植模式的單株干物重為386 g/株,較高產模式增加了35.9%。2個種植模式下,群體干物質積累在大口期差異并不顯著,大口期以后,高產模式的群體干物質積累顯著高于農戶種植模式,收獲時高產模式下群體干物質達到24 296 kg/hm2,較農戶模式提高了13.0%。

圖1　兩種種植模式下的葉面積指數動態變化

圖2　兩種種植模式下的群體光合勢比較

圖3　兩種種植模式下不同時期的夏玉米干物質積累比較

2.3.2地上部干物質的分配和轉移從表4可以看出,成熟期2個種植模式的單株地上部干物質在不同器官中的分配量和比例依次為籽粒>莖鞘>葉>苞葉&穗軸。高產模式的籽粒比例即經濟系數為54.43%,顯著高于農戶模式將近5個百分點,而營養器官所占比例兩者差異不顯著,但農戶模式條件下單株各個器官的生物積累量均顯著高于高產模式,這則是農戶模式較低的種植密度導致的結果。

表4　兩種種植模式下夏玉米成熟期干物質的分配比較

由于種植條件的不同,吐絲后干物質的積累量與轉移出現變化(表5)。農戶模式的種植密度較低,但吐絲后總的干物質積累量較高產模式有所增加,但差異不顯著。從營養器官的干物重來看,高產種植模式的莖鞘和葉片收獲時的干物重較吐絲期減少,表明有干物質向籽粒轉移,而收獲期農戶模式的莖鞘和葉片的干物重較吐絲期增加;2種種植模式下收獲期苞葉&穗軸的干物重較吐絲期增加,但增加量高產模式比農戶模式減少了33.6%。由于農戶模式籽粒的灌漿活躍期較短,不能充分利用葉片生產的光合產物,可能是造成吐絲后干物質繼續在營養器官中積累的原因。吐絲后干物質積累量和營養器官中干物質向籽粒的轉移量及效率也是造成最終產量差異的重要因素。

表5　兩種種植模式下吐絲后各器官的干物質積累和轉移

2.4光合特性

如表6所示,在吐絲期2個種植模式的凈光合速率差異不顯著,但高產模式的冠層光合能力顯著高于農戶模式32.3%;吐絲后15 d,高產模式的凈光合速率和冠層光合能力均較農戶模式顯著提高了37.5%和90.8%;吐絲后30 d,2個種植模式的凈光合速率差異不再顯著,但高產模式的冠層光合能力提高了48.1%;吐絲后45 d,高產栽培模式下的凈光合速率顯著降低,冠層光合能力較農戶種植模式也未顯著提高。表明在吐絲后45 d內擁有較強的冠層光合能力是獲得高產的重要原因。

2.5氮、磷、鉀的積累

2.5.1吐絲前后氮、磷、鉀養分的累積由表7可以看出,吐絲前高產模式的群體營養元素積累量均顯著高于農戶模式,氮、磷、鉀養分積累量分別提高了55.5%,66.9%,80.6%;吐絲后高產模式的氮素和鉀素的積累量較農戶模式顯著降低了39.1%,44.6%,磷素積累量則顯著增加了22.3%。從吐絲前后養分的分配比例來看,2個種植模式鉀素的積累主要在吐絲期前吸收積累,磷素則在吐絲后吸收積累,對于氮素2種模式的表現不同,高產模式主要在吐絲前吸收積累,農戶模式則在吐絲后吸收積累量所占比例較大。因此,要想獲得高產,生育前期要保證充足的氮肥和鉀肥,這有利于促進地上部光合產物的積累,生育后期要保證充足的氮肥和磷肥,有利于滿足籽粒充實過程中所需的營養物質。

2.5.2氮、磷、鉀養分的轉移與100 kg籽粒吸收量

由表8可以看出,2種模式下籽粒中積累的氮素差異不顯著,高產模式的營養器官中氮素積累量顯著高于農戶模式。且在吐絲后,均有氮素從營養器官向籽粒中轉移,高產模式的轉運量較農戶田高出了50 kg/hm2左右,氮素轉移貢獻率較農戶模式大幅提高,達到了45%以上。籽粒中的磷素和鉀素均表現為高產模式顯著高于農戶模式,且高產模式營養器官中的磷素和鉀素向籽粒中轉移,農戶模式的磷素和鉀素繼續在營養器官中積累。從每生產100 kg籽粒對氮磷鉀的需求量來看,高產模式分別為1.93,1.19,1.85 kg,農戶模式則為2.27,1.07,1.49 kg,這也表明高產模式對鉀素和磷素的相對需求比例增高,氮素則有所降低。

表6　兩種種植模式下夏玉米的凈光合速率和冠層光合能力

表7　兩種種植模式下吐絲前后夏玉米群體氮、磷、鉀的積累量及比例

表8　氮、磷、鉀養分的轉移與100 kg籽粒吸收量

3　討論與結論

在我國“人口數量不斷增長,耕地面積剛性減少”的雙重壓力下,依賴單產的進一步提高成為我國未來糧食安全的保障。實現作物高產是農業科研和生產中永恒的課題,同時發展超高產也是保障我國糧食安全的基本途徑,高產記錄是產量持續提升的前提,也能為將來糧食的大面積高產提供有效途徑[13]。玉米高產記錄的典型示范表明,在一段較長的時間內玉米要獲得高產,必須提高種植密度[13-15]，本試驗的結果同樣證明了這一點。產量是穗數、穗粒數和千粒質量三者共同決定的結果,曹國軍等[16]研究表明,低產條件下穗粒數是決定產量的主要因素,高產和超高產條件下穗數是產量的決定性因素。本試驗顯示,農戶模式的穗粒數顯著高于高產模式,但高產模式的有效穗數較農戶模式提高了48.3%,使得最終產量提高了21.4%。

葉片是玉米制造和輸出光合同化產物的主要器官,因此,玉米的最終產量取決于葉片對于光照資源的吸收和轉化。黃振喜等[17]研究表明,產量在15 000 kg/hm2以上的夏玉米葉面積指數和葉片的凈光合速率高值持續期長且灌漿期凈光合速率較強。劉偉等[18]研究認為在高密度栽培條件下,雖然減少了單株葉面積,但有效地擴大了群體葉面積,為玉米高產提供了堅實的“源”基礎。張玉芹等[5]研究表明，吐絲后較高的群體光合勢和冠層光合能力是玉米高產的重要原因。本試驗研究發現,高產栽培模式下LAI在吐絲后一直處于高值狀態,吐絲期到吐絲后45 d的LAI一直高于5,而普通農戶模式則處于低水平狀態(4.3>LAI>3.4);群體光合勢較農戶模式提高了38.4%。吐絲后高產種植模式的冠層光合能力顯著高于普通農戶種植模式。群體LAI和冠層光合能力的提高是超高產得以實現的主要原因。

玉米籽粒產量受到生育期內干物質的積累分配和吐絲后營養器官的干物質轉移的影響[19-22]。閻翠萍等[20]研究表明春玉米干物質在各器官的分配隨生長中心的轉移而變化，散粉前干物質主要集中在莖葉中，散粉后果穗成為光合產物的分配中心，各營養器官的干物質向籽粒中轉移。連艷鮮等[23]研究認為高產玉米吐絲后的干物質積累要占總干物重的60%以上，經濟系數超過53%。產量在15 000 kg/hm2以上的夏玉米花后干物質積累量達到了總生物量的72%以上[17]，一定程度上說明了生殖生長時期干物質積累得越多，籽粒產量也就越高。本試驗研究表明，高產栽培模式下的單株干物重在吐絲后明顯低于農戶模式，但群體總干物重在大口期以后高于農戶模式。高產模式的經濟系數較農戶生產提高了4.7個百分點。吐絲后，高產種植模式的莖鞘和葉片中的干物質向籽粒轉移，而農戶模式的莖鞘和葉片干物質繼續積累，2種模式的苞葉&穗軸干物重較吐絲其均增加，但高產模式的增加量較農戶模式減少了33.6%。綜合來看，高產模式下吐絲后營養器官干物質向生殖器官的轉移并具有較高的經濟系數。農戶模式吐絲后的干物質一部分儲存在營養器官中，且經濟系數較低，產量也隨之變低。在高產栽培模式下，如何通過改進栽培或育種的方法，增加高產群體吐絲后干物質積累以及提高向籽粒的轉移效率，從而進一步提高產量，需要進一步的探討和研究。

本研究同時表明，由于農戶模式籽粒灌漿活躍期較短，不能充分利用葉片生產的光合同化產物，出現吐絲后干物質繼續在營養器官中積累的現象，而且因河北省地處華北平原北端的地理區位所決定的冬小麥-夏玉米一年兩熟的熱量資源劣勢，結合當前玉米主要作為飼料的利用途徑，變夏玉米“糧用”為“飼用”，通過農牧結合實現玉米整株利用，變國家“糧食”安全為“食物”安全戰略，使玉米的糧食產量轉換為食物產量，更具資源與經濟學意義。而畜牧業產生的大量有機糞便可以繼而投入農田，回補土壤養分，又能減少化學肥料的使用，改善土壤條件。如何讓玉米在糧食生產中占據越來越重要的地位，協調好農業和畜牧業之間的關系，從而建立起循環農業和綠色農業生產體系，也需要我們的深入研究，也可視為夏玉米高產和高效利用的另外形式。

高產模式產量比農戶模式產量提高了21.4%,原因在于高產模式的82 000穗/hm2以上的有效穗數和近350 g的千粒質量,而高產模式的穗粒數不占優勢。高產模式下夏玉米具有較高的穗高系數,倒伏風險也隨之加大。高產模式吐絲期葉面積指數在6.3以上,全生育期總光合勢在300萬(m2·d)/hm2以上,且花后光合勢占總量的75%以上,吐絲后光合勢較普通栽培模式提高了38.4%。高產模式下莖葉干物質向籽粒轉移量顯著高于農戶模式,而農戶模式因籽粒的灌漿活躍期較短而出現干物質在莖葉中積累。收獲時高產模式下群體干物質達到24 296 kg/hm2,收獲指數54.43%。從每生產100 kg籽粒對氮磷鉀的需求量來看,高產模式分別為1.93,1.19,1.85 kg,與農戶種植模式相比,高產模式下對鉀素和磷素的需求比例相對增高,氮素需求量則有所降低。

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Population Structure and Yield Formation of High-yield Summer Maize in Hebei Province

WANG Lei1,WAN Jingjing1,DU Xiong1,CUI Yanhong1,DANG Hongkai2,LI Kejiang2

(1.College of Agronomy,Agricultural University of Hebei,Hebei Key Laboratory of Crop Growth Regulation,Baoding071001,China;2.Institute of Dryland Farming,Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences,Hengshui053000,China)

In order to find out a referential efficient summer maize planting process and increase its grain yield effectively,with a comparative analysis method the difference of population structure and yield formation between high-yield mode of summer maize production and farmers′ practice was cleared in Hebei Province.The results indicated that compared with farmers′ practice,the output of high-yield mode increased by 21.4%,which resulted from more than 82 000 ears per ha and nearly 350 g of 1000-grain weight.In high-yield mode,due to the higher ear height index of summer maize the risk of lodging increased.The leaf area index (LAI) at silking stage was above 6.3,total leaf area duration in the whole growing period was more than 3 million (m2·d)/ha in high-yield production mode,more than 75% of which was in post-anthesis.After silking,the leaf area duration increased by 38.4% compared with farmers′ practice.In high-yield mode,the dry matter transferred from stem and leaf to grain was significantly higher than farmers′ practice in which dry matter accumulated in stem and leaf because the active period of grain filling was shorter.In high-yield production mode,the dry matter of population was up to 24 296 kg/ha at harvest and the harvest index achieved 54.43%.In the demand of N,P,K,for each 100 kg grain production,in high-yield production mode was 1.93,1.19,1.85 kg,respectively.Compared with the farmers′ practice,the demand of potassium and phosphorus relatively increased,while nitrogen demand decreased slightly in high-yield mode.

High-yield summer maize;Population structure;Yield formation;Hebei Province

2016-04-13

河北省科技支撐計劃項目(14226401D);河北省現代農業產業技術體系玉米創新團隊專項基金項目(HBCT2013020203;HBCT2013020204);糧食豐產科技工程(2011BAD16B08;2012BAD04B06;2013BAD07B05);國家公益性行業專項(201203100)

王磊(1988-),男,河北邯鄲人,碩士,主要從事作物高產優質生理生態研究。

杜雄(1979-),男,河北定州人,副教授,博士,碩士生導師,主要從事農業資源高效利用研究。

S513.01

A

1000-7091(2016)04-0177-07

10.7668/hbnxb.2016.04.028